本發(fā)明專利涉及到半導(dǎo)體發(fā)光二極管，具體涉及一種表面等離激元增強InGaN/GaN偏振出光LED及其制備方法。

背景技術(shù)：

近年來，Ⅲ族氮化物發(fā)光二極管(LED)受到廣泛的關(guān)注并獲得了巨大的成功，以其發(fā)光效率高、壽命長、以及節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢被廣泛用于背光光源、照明、醫(yī)療、交通信號等領(lǐng)域。近年來，得益于氮化物材料生長技術(shù)的進步，氮化鎵(GaN)基藍(lán)綠光LED的發(fā)光效率等光電特性取得了長足的進步。然而，量子阱內(nèi)存在很強的量子限制斯塔克效應(yīng)，使得LED的內(nèi)量子效率下降，這種效應(yīng)在高In組分的發(fā)光二極管中尤為明顯。同時由于GaN表面全內(nèi)反射的限制，只有一小部分的光能夠從LED內(nèi)提取出來，LED的外量子效率一直低于理論預(yù)期值，隨著半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，高發(fā)光效率LED芯片需求持續(xù)增長，進一步提高GaN基LED的發(fā)光效率仍然是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點問題之一。

偏振LED由于在液晶顯示、偏振成像、光通信和高分辨成像等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用價值，探索和制備高偏振度、高亮度的GaN基LED成為氮化物領(lǐng)域的重點研究方向之一。目前，有很多種方法可以提高LED偏振度：一種是利用LED自發(fā)輻射偏振光，如利用非極性面或半極性面GaN襯底生長LED得到偏振光輸出，但是相應(yīng)的自支撐襯底材料存在成本高、尺寸小等缺點；另一種辦法是在發(fā)射面采用某種技術(shù)產(chǎn)生偏振光，如通過設(shè)計反射面把邊發(fā)射的偏振光反射出去，在光出射面制作金屬納米光柵或復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)，或者在出射面制作光子晶體結(jié)構(gòu)得到偏振光。然而，由于增加了額外的光學(xué)元件，超過一半的光會被吸收或反射而消耗掉，或者降低LED的發(fā)光面積，使得LED的光輸出功率被大大降低。

在本發(fā)明前，中國發(fā)明專利(CN 202647533 U)“一種線偏振LED燈”公布了一種采用有分光作用的偏振分光膜和對可見光波段具有高反射性的寬帶高反介質(zhì)膜，將發(fā)光二極管LED發(fā)出的光完全轉(zhuǎn)換成所需方向的線偏振光的技術(shù)，上述技術(shù)僅針對LED出光后產(chǎn)生偏振和調(diào)控方向，而本發(fā)明從LED量子阱中激子復(fù)合的內(nèi)部過程入手，引入表面等離激元共振作用，直接加快復(fù)合過程，并產(chǎn)生強烈的偏振出光。

在本發(fā)明前，中國發(fā)明專利(CN 103746057A)“一種線偏振出光發(fā)光二極管”公布采用在p型層和雙層金屬Al納米光柵引入介質(zhì)過渡層，介質(zhì)層包括MgF等，但只能使得LED出光產(chǎn)生偏振度，跟本發(fā)明相對比功能單一，且發(fā)明中未見制作過程詳述，未見實物結(jié)果；而本發(fā)明通過在LED上布置復(fù)合光柵，包括p型GaN光柵和雙層金屬光柵，既產(chǎn)生表面等離激元提高LED的內(nèi)量子效率，又獲得了出光偏振度。

本發(fā)明前，美國發(fā)明專利(US2005008739)“Wire grid polarizer with double metal layers”公布了一種透射式的基于雙金屬層的線性網(wǎng)格柵偏振器結(jié)構(gòu)，公開了雙層金屬層與介質(zhì)膜組成線性網(wǎng)格柵直接置于透明襯底之上，襯底不具備發(fā)光特性，可見光波段470nm～610nm的連續(xù)光譜通過該偏振器，產(chǎn)生偏振光輸出，而本發(fā)明是將雙層金屬納米光柵結(jié)構(gòu)置于GaN基LED結(jié)構(gòu)表面，通過調(diào)節(jié)雙層金屬納米光柵結(jié)構(gòu)與發(fā)光有源層的距離，產(chǎn)生強烈的表面等離激元共振作用，直接加快復(fù)合過程，從而從發(fā)光有源層直接發(fā)射強烈的偏振光。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明公開了一種結(jié)構(gòu)簡單、便于制備的表面等離激元增強InGaN/GaN偏振出光LED。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種表面等離激元增強InGaN/GaN偏振出光LED，其結(jié)構(gòu)從下至上依次為：基底層、n型GaN層、In_xGa_1-xN/GaN多量子阱有源層、p型GaN層，所述p型GaN層被刻蝕成光柵結(jié)構(gòu)，成為p型GaN光柵層，p型GaN光柵層上設(shè)有納米雙層金屬光柵層。其中雙層金屬光柵層包括位于p型GaN光柵層頂部的上層金屬光柵和位于p型GaN光柵層底部的下層金屬光柵。

進一步的，所述In_xGa_1-xN/GaN多量子阱有源層的周期數(shù)為5～15個，所述x范圍：0.23≤x≤0.33，發(fā)光波長在495～575nm，刻蝕前的p型GaN層的厚度200～600nm，n型GaN層的厚度3～5μm。

進一步的，p型GaN光柵層的周期為400～480nm，占空比為0.3～0.6，高度為100～400nm，下層金屬光柵與In_xGa_1-xN/GaN多量子阱有源層的距離為10～50nm。

進一步的，所述納米雙層金屬光柵層為雙層鋁光柵層，高度為10～50nm。

進一步的，所述基底層為圖形化藍(lán)寶石。

本發(fā)明還提供了上述表面等離激元增強InGaN/GaN偏振出光LED的制備方法，其步驟包括：

(1)在基底層上依次生長n型GaN層、In_xGa_1-xN/GaN多量子阱有源層、p型GaN層，制成InGaN/GaN多量子阱LED基片；

(2)在InGaN/GaN多量子阱LED基片上生長一層SiO₂介質(zhì)薄膜層，

(3)在SiO₂介質(zhì)薄膜層表面旋涂PMMA，形成PMMA層；

(4)在PMMA層表面旋涂紫外固化膠，形成紫外固化膠層；

(5)常壓下利用紫外軟壓印技術(shù)，使用軟模板在紫外固化膠層形成全面積的有序納米光柵結(jié)構(gòu)；

(6)利用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)技術(shù)，通入CHF₃和O₂的混合氣體刻蝕紫外固化膠層的殘余部分；然后以紫外固化膠為掩膜，利用RIE技術(shù)，通入O₂進行PMMA刻蝕，將納米光柵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至PMMA層；

(7)采用電子束蒸發(fā)技術(shù)，在樣品表面蒸鍍Ni金屬膜層，隨后將樣品放入丙酮溶液浸泡后再超聲以剝離PMMA層，得到大面積有序金屬Ni納米光柵結(jié)構(gòu)；

(8)采用RIE技術(shù)，以金屬Ni納米光柵為掩模，通入CHF₃和O₂的混合氣體，各向異性刻蝕SiO₂介質(zhì)層，將金屬納米光柵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至SiO₂介質(zhì)薄膜層上；

(9)采用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕技術(shù)，通入Cl₂和BCl₃的混合氣體，各向異性干法刻蝕p型GaN層，通過控制刻蝕時間控制GaN光柵深度，使用氫氟酸去除殘余的SiO₂介質(zhì)層，得到大面積納米光柵結(jié)構(gòu)；

(10)將樣品在無機堿溶液中40-90℃水浴加熱5-20min，去除表面的干法刻蝕損傷，使得光柵的側(cè)壁從傾斜變?yōu)榇怪保瑫r控制濕法腐蝕的時間，以控制光柵的寬度；

(11)采用電子束蒸發(fā)技術(shù)，在p型GaN光柵層表面蒸鍍Al金屬層，厚度為10～50nm。

進一步的，所述無機堿溶液為氫氧化鉀溶液或氫氧化鈉溶液，濃度為1Mol/L。

本發(fā)明通過在LED上布置復(fù)合光柵，包括p型GaN光柵和雙層金屬光柵，在p型GaN光柵和雙層金屬光柵之間會產(chǎn)生表面等離激元共振作用，直接加快復(fù)合過程，提高LED的內(nèi)量子效率，從而從發(fā)光有源層直接發(fā)射強烈的偏振光。與與傳統(tǒng)的亞波長金屬光柵只能實現(xiàn)偏振相比，本發(fā)明可以同時實現(xiàn)LED的發(fā)光效率增強和偏振出光，并且可以獨立于材料生長過程。

附圖說明

圖1為本發(fā)明步驟(1)中得到的InGaN/GaN多量子阱LED基片的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明步驟(2)中得到的InGaN/GaN多量子阱LED基片上沉積SiO₂介質(zhì)薄膜層的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明步驟(4)中得到的InGaN/GaN多量子阱LED上旋涂PMMA膠和紫外固化膠的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明步驟(5)中得到的紫外固化膠層上有序納米光柵的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明步驟(6)中得到的PMMA層上有序納米光柵的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本發(fā)明步驟(7)中得到的Ni金屬膜上有序納米光柵的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本發(fā)明步驟(8)中得到的SiO₂介質(zhì)薄膜層上有序納米柱陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為本發(fā)明步驟(9)中得到的p型層上有納米光柵的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9為本發(fā)明步驟(10)中得到的InGaN/GaN多量子阱p型納米光柵的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10為本發(fā)明步驟(11)中得到的表面等離激元增強InGaN/GaN偏振出光LED的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11為圖10的表面等離激元增強InGaN/GaN偏振出光LED的掃描電子顯微圖像。

圖12為實施例1中表面等離激元增強InGaN/GaN偏振出光LED相對于平面LED的正面和背面光致發(fā)光譜。

圖13為實施例1中偏振測試系統(tǒng)示意圖和表面等離激元增強InGaN/GaN偏振出光LED相對于平面LED的偏振曲線。

其中1代表基底層，2代表n型GaN層，3代表多量子阱有源層，4代表p型GaN層，5代表介質(zhì)層，6代表PMMA膠層，7代表紫外固化膠層，8代表金屬Ni納米光柵層，9代表雙層金屬光柵層。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做進一步說明。

具體實施方式

實施例1

本表面等離激元增強InGaN/GaN偏振出光LED的制備方法，其步驟包括：

(1)在基底層1上依次生長n型GaN層2、In_xGa_1-xN/GaN多量子阱有源層3、p型GaN層4，制成InGaN/GaN多量子阱LED基片，其中x為0.3，發(fā)光波長為524nm，量子阱的周期數(shù)為9，InGaN阱層的厚度為3nm，GaN壘層的厚度為12nm，n型GaN層的厚度3μm，P型GaN層的厚度為420nm；

(2)在InGaN/GaN多量子阱LED基片上生長一層200nm厚度的SiO₂介質(zhì)薄膜層5，

(3)在SiO₂介質(zhì)薄膜層表面旋涂200nm厚度的PMMA，形成PMMA層6；

(4)在PMMA層表面旋涂150nm厚度的紫外固化膠，形成紫外固化膠層7；

(5)常壓下利用紫外軟壓印技術(shù)，使用軟模板在紫外固化膠層7形成全面積的有序納米光柵結(jié)構(gòu)；

(6)利用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)技術(shù)，通入CHF₃和O₂的混合氣體刻蝕紫外固化膠層的殘余部分；然后以紫外固化膠為掩膜，利用RIE技術(shù)，通入O₂進行PMMA刻蝕，將納米光柵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至PMMA層6；

(7)采用電子束蒸發(fā)技術(shù)，在樣品表面蒸鍍30nm厚度的Ni金屬膜層8，隨后將樣品放入丙酮溶液浸泡后再超聲以剝離PMMA層6，得到大面積有序金屬Ni納米光柵結(jié)構(gòu)；

(8)采用RIE技術(shù)，以金屬Ni納米光柵為掩模，通入CHF₃和O₂的混合氣體，各向異性刻蝕SiO₂介質(zhì)層，將金屬Ni納米光柵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至SiO₂介質(zhì)薄膜層5上，刻蝕參數(shù)：CHF₃和O₂流量分別為35sccm和5sccm，功率：100W，壓強：3Pa，刻蝕時間：10min；

(9)采用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕技術(shù)，通入Cl₂和BCl₃的混合氣體，各向異性干法刻蝕p型GaN層4，通過控制刻蝕時間控制GaN光柵深度，使用氫氟酸去除殘余的SiO₂介質(zhì)層，得到大面積納米光柵結(jié)構(gòu)，刻蝕參數(shù)：Cl₂和BCl₃流量分別為48sccm和6sccm，腔體氣壓：10mTorr，DC偏壓：480V，RF功率100W，ICP功率：300W，頻率13.56MHz，刻蝕時間：1min，刻蝕完成的光柵高度400nm；

(10)將樣品在無機堿溶液中40-90℃水浴加熱5-20min，去除表面的干法刻蝕損傷，使得光柵的側(cè)壁從傾斜變?yōu)榇怪?，同時控制濕法腐蝕的時間，以控制光柵的寬度，得到的p型GaN光柵層的周期為420nm，占空比為0.32，高度為400nm，下層金屬光柵和In_xGa_1-xN/GaN多量子阱有源層的距離為20nm；

(11)采用電子束蒸發(fā)技術(shù)，在p型GaN光柵層表面蒸鍍20nm厚度的Al金屬層9。

獲得的表面等離激元增強InGaN/GaN偏振出光LED其光致發(fā)光譜和偏振曲線如圖12和圖13所示。

實施例2

本表面等離激元增強InGaN/GaN偏振出光LED，其結(jié)構(gòu)從下至上依次為：基底層、n型GaN層、In_xGa_1-xN/GaN多量子阱有源層、p型GaN層，所述p型GaN層被刻蝕成光柵結(jié)構(gòu)，成為p型GaN光柵層，p型GaN光柵層上設(shè)有納米雙層鋁金屬光柵層，所述In_xGa_1-xN/GaN多量子阱有源層的周期數(shù)為5個，所述x范圍：x＝0.23，發(fā)光波長為495nmn型GaN層的厚度4μm，p型GaN光柵層的周期為450nm，占空比為0.36，高度為100nm，下層金屬光柵和In_xGa_1-xN/GaN多量子阱有源層的距離為10nm，所述納米雙層金屬光柵層高度為10nm。

實施例3

本表面等離激元增強InGaN/GaN偏振出光LED，其結(jié)構(gòu)從下至上依次為：基底層、n型GaN層、In_xGa_1-xN/GaN多量子阱有源層、p型GaN層，所述p型GaN層被刻蝕成光柵結(jié)構(gòu)，成為p型GaN光柵層，p型GaN光柵層上設(shè)有納米雙層鋁金屬光柵層，所述In_xGa_1-xN/GaN多量子阱有源層的周期數(shù)為15個，所述x范圍：x＝0.33，發(fā)光波長為575nm，n型GaN層的厚度5μm，p型GaN光柵層的周期為480nm，占空比為0.42，高度為400nm，下層金屬光柵和In_xGa_1-xN/GaN多量子阱有源層的距離為50nm，所述納米雙層金屬光柵層高度為50nm。

實施例4

本表面等離激元增強InGaN/GaN偏振出光LED，其結(jié)構(gòu)從下至上依次為：基底層、n型GaN層、In_xGa_1-xN/GaN多量子阱有源層、p型GaN層，所述p型GaN層被刻蝕成光柵結(jié)構(gòu)，成為p型GaN光柵層，p型GaN光柵層上設(shè)有納米雙層鋁金屬光柵層，所述In_xGa_1-xN/GaN多量子阱有源層的周期數(shù)為12個，所述x范圍：x＝0.3，發(fā)光波長為545nm，n型GaN層的厚度5μm，p型GaN光柵層的周期為400nm，占空比為0.30，高度為200nm，下層金屬光柵和In_xGa_1-xN/GaN多量子阱有源層的距離為40nm，所述納米雙層金屬光柵層高度為50nm。